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Compósito cimentício reforçado com fibras poliméricas de alta resistência mecânica.

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Academic year: 2021

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Tese

COMPÓSITO CIMENTÍCIO REFORÇADO COM FIBRAS POLIMÉRICAS

DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA

Autor: João Trajano da Silva Neto Orientador: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouvêia Coorientador: Prof. Dr. Augusto Cesar da Silva Bezerra

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João Trajano da Silva Neto

COMPÓSITO CIMENTÍCIO REFORÇADO COM FIBRAS POLIMÉRICAS

DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Doutor em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Análise e Seleção de Materiais Orientador: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouvêia Coorientador: Prof. Dr. Augusto Cesar da Silva Bezerra

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Bem-aventurado o homem que acha sabedoria, e o homem que adquire conhecimento; Porque é melhor a sua mercadoria do que artigos de prata, e maior o seu lucro que o ouro mais fino. Mais preciosa é do que os rubis, e tudo o que mais possas desejar não se pode comparar a ela.

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AGRADECIMENTOS

Meu agradecimento inicial é dirigido a Deus, por me permitir mais essa conquista, me concedendo saúde e proteção e me dando força para continuar nos momentos difíceis dessa caminhada.

Meu agradecimento especial ao meu orientador Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouvêia pela confiança em mim depositada, por cada momento de atenção e gentileza com a qual sempre tratou.

Agradeço ao coorientador Prof. Dr. Augusto Cesar da Silva Bezerra pela compreensão nos momentos de dificuldade, pelo precioso tempo a mim concedido, suporte técnico e ensinamentos que tanto contribuíram para realização desse trabalho.

Agradeço aos meus pais e irmãos que sempre priorizaram por meus estudos e me deram toda a base necessária para minha formação como cidadão.

Agradeço a minha noiva Isabela Cristina Rodrigues Martins, pelo amor, incentivo, compreensão, apoio e dedicação.

Ao meu estimado amigo Professor Jandir Caetano Ferreira, pela amizade sempre presente e sincera.

Agradeço à Rede Temática em Engenharia de Materiais (REDEMAT) pela oportunidade de desenvolver essa pesquisa e a todos os professores do programa.

Agradeço ao Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Minas Gerais - IFMG pela concessão da licença das atividades profissionais para o desenvolvimento da pesquisa.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO... 1 1.1 Justificativa ... 5 1.2 Objetivos ... 10 1.2.1 Objetivo Geral ... 10 1.2.2 Objetivo específico ... 11 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA ... 12

2.1 Concretos reforçados com fibras ... 12

2.2 Fibras sintéticas... 17

2.3 Trabalhabilidade ... 25

2.4 Interação fibra-matriz ... 28

2.5 Resistência à compressão e módulo de elasticidade ... 34

2.6 Resistência à tração na flexão ... 37

2.7 Tenacidade na flexão ... 43 2.8 Resistência ao impacto... 44 2.9 Condutividade térmica ... 46 3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 49 3.1 Materiais ... 49 3.1.1 Fibras ... 49 3.1.2 Aglomerante ... 50

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3.1.3 Agregados ... 51

3.1.4 Aditivo superplastificante ... 52

3.1.5 Água... 52

3.2 Métodos ... 53

3.2.1 Caracterização das fibras ... 53

3.2.2 Desenvolvimento dos compósitos cimentícios reforçados ... 53

3.2.3 Resistência à compressão e módulo de elasticidade ... 57

3.2.4 Resistência à tração na flexão ... 58

3.2.5 Tenacidade na flexão ... 59

3.2.6 Resistência ao impacto ... 59

3.2.7 Interação matriz fibras ... 60

3.2.8 Condutividade térmica ... 60

4 RESULTADOS ... 64

4.1 Caracterização das fibras ... 64

4.2 Resistência à compressão e módulo de elasticidade ... 65

4.3 Resistência à tração na flexão ... 71

4.4 Tenacidade na flexão ... 94

4.5 Resistência ao impacto...101

4.6 Interação matriz fibras ...105

4.7 Condutividade térmica ...108

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6 CONCLUSÕES...114 7 TRABALHOS FUTUROS ...115 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...116

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Consumo de hidrocarbonetos e de materiais de engenharia... 5

Figura 1.2 - Comparação da produção de cimento Portland (dados derivados de CDIAC e CEMBUREAU) e aço bruto (World Steel Association) com população (UN Population Division). ... 6

Figura 1.3 - Diferentes usos do cimento no Brasil. ... 6

Figura 2.1 - Exemplos de diferentes formas de fibras metálicas. ... 14

Figura 2.2 - Esquema da estrutura química do etileno e polietileno ... 21

Figura 2.3 - Representação da orientação e cristalinidade do HMPE e PE ... 22

Figura 2.4 - Estrutura molecular do Polietileno tereftalato ... 23

Figura 2.5 - Efeitos do teor e forma da fibra de aço na fluidez pelo espalhamento das misturas frescas de UHPC. ... 27

Figura 2.6 - Mecanismos de falha em concreto reforçado com fibras. ... 30

Figura 2.7 - Exemplo de curvas carga x deformação para ensaios de compressão em concretos com diferentes teores de fibras ... 34

Figura 2.8 - Resistência à compressão x tempo de cura ... 36

Figura 2.9 - Resistência à flexão de concreto reforçado com fibra de poliproplileno (PP) ... 39

Figura 2.10 - Curvas típicas de resposta carga-deflexão do FRC ... 41

Figura 2.11 - Relações de tensão e de deflexão obtidas dos ensaios de vigas de concreto reforçado com fibras PP de alta resistência para uma fração de volume de fibra de (a) 0,25%, (b) 0,50%, (c) 0,75% e (d) 1,00%. ... 42

Figura 2.12 - Critério da JSCE SF-4 (1984) para determinação da tenacidade (Figueiredo e Helene, 1997) ... 43

Figura 3.1 - Ensaio de resistência à compressão ... 57

Figura 3.2 - Ensaio para determinação do módulo de elasticidade estático .... 58

Figura 3.3 - Ensaio para determinação da resistência à tração na flexão ... 59

Figura 3.4 - Ensaio para determinação da resistência ao impacto ... 60

Figura 3.5 - Forno e sensores utilizados no ensaio de condutividade térmica . 62 Figura 4.1 - Imagem da fibra HMPE ... 64

(11)

Figura 4.3 - Resistência à compressão com fibras de 38 mm distribuídas ... 66

Figura 4.4 - Módulo de elasticidade com fibras de 38 mm distribuídas ... 70

Figura 4.5 - Resistência à flexão com fibras de 38 mm distribuídas ... 73

Figura 4.6 - Resistência à flexão com fibras de 38 mm no fundo ... 75

Figura 4.7 - Resistência à tração na flexão do CCM sem fibra ... 77

Figura 4.8 - Resistência à tração na flexão do CCM com HMPE de 38 mm distribuída ... 77

Figura 4.9 - Resistência à tração na flexão do CCM com HMPE de 38 mm concentrada no fundo ... 78

Figura 4.10 - Resistência à tração na flexão do CCM com PES de 38 mm distribuída ... 79

Figura 4.11 - Resistência à tração na flexão do CCM com PES de 38 mm concentrada no fundo ... 79

Figura 4.12 - Resistência à tração na flexão do CCA sem fibra ... 80

Figura 4.13 - Resistência à tração na flexão do CCA com HMPE de 38 mm distribuída ... 80

Figura 4.14 - Resistência à tração na flexão do CCA com HMPE de 38 mm concentrada no fundo ... 81

Figura 4.15 - Resistência à tração na flexão do CCA com PES de 38 mm distribuída ... 82

Figura 4.16 - Resistência à tração na flexão do CCA com PES de 38 mm concentrada no fundo ... 82

Figura 4.17 - Resistência à flexão com fibras de 66 mm no fundo ... 84

Figura 4.18 - Resistência à tração na flexão do CCM com HMPE de 66 mm concentrada no fundo ... 85

Figura 4.19 - Resistência à tração na flexão do CCA com HMPE de 66 mm concentrada no fundo ... 86

Figura 4.20 - Resistência à tração na flexão do CCM com PES de 66 mm concentrada no fundo ... 87

Figura 4.21 - Resistência à tração na flexão do CCA com PES de 66 mm concentrada no fundo ... 88

Figura 4.22 - Resistência à flexão com fibras de 82 mm no fundo ... 89

Figura 4.23 - Resistência à tração na flexão do CCM com HMPE de 82 mm concentrada no fundo ... 91

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Figura 4.24 - Resistência à tração na flexão do CCM com PES de 82 mm concentrada no fundo ... 92 Figura 4.25 - Resistência à tração na flexão do CCA com HMPE de 82 mm concentrada no fundo ... 92 Figura 4.26 - Resistência à tração na flexão do CCA com PES de 82 mm concentrada no fundo ... 93 Figura 4.27 - Tenacidade do CCM sem fibras e com HMPE e PES de 38 mm distribuída ... 95 Figura 4.28 - Tenacidade do CCM sem fibras e com HMPE e PES de 38 mm concentradas no fundo ... 95 Figura 4.29 - Tenacidade do CCM sem fibras e com HMPE e PES de 66 mm concentradas no fundo ... 96 Figura 4.30 - Tenacidade do CCM sem fibras e com HMPE e PES de 82 mm concentradas no fundo ... 97 Figura 4.31 - Tenacidade do CCA sem fibras e com HMPE e PES de 38 mm distribuída ... 98 Figura 4.32 - Tenacidade do CCA sem fibras e com HMPE e PES de 38 mm concentradas no fundo ... 99 Figura 4.33 - Tenacidade do CCA sem fibras e com HMPE e PES de 66 mm concentradas no fundo ...100 Figura 4.34 - Tenacidade do CCM sem fibras e com HMPE e PES de 82 mm concentradas no fundo ...100 Figura 4.35 - Resistência ao impacto dos compósitos com adição de fibras de 38 mm na forma distribuída ...101 Figura 4.36 - Resistência ao impacto dos compósitos com adição de fibras de 38 mm na forma concentrada ...102 Figura 4.37 - Resistência ao impacto dos compósitos com adição de fibras de 66 mm na forma concentrada ...103 Figura 4.38 - Resistência ao impacto dos compósitos com adição de fibras de 82 mm na forma concentrada ...104 Figura 4.39 - Fibra de HMPE engastada na matriz e com redução de área da seção transversal após ensaio de impacto ...105 Figura 4.40 - Fibras de HMPE retorcidas com deformações e alteração de área

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Figura 4.41 - Fibra de PES com interface sem aderência perfeita com a matriz e sem redução de área da seção transversal após ensaio de impacto ...107 Figura 4.42 - Fibras de PES lineares sem deformações e alteração de área na seção transversal significativas após ensaio de impacto ...107 Figura 4.43 - Fibras de PES lineares após ensaio de impacto ...108 Figura 4.44 - Condutividade térmica dos corpos de prova com e sem adição de fibra ...109

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Propriedades físicas de fibras poliméricas ... 18

Tabela 2.2 - Propriedades das fibras PVA e PE. ... 23

Tabela 3.1 - Propriedades das fibras de HMPE e PES ... 50

Tabela 3.2 - Caracterização do cimento Portland ARI (CPV) utilizado ... 50

Tabela 3.3 - Composição granulométrica do pó de pedra médio ... 51

Tabela 3.4 - Composição granulométrica do pó de pedra grosso... 52

Tabela 3.5 - Propriedades físicas e químicas superplastificante Silicon ns high ... 52

Tabela 3.6 - Proporção de materiais utilizados para cada dosagem ... 54

Tabela 3.7 - Proporção de materiais utilizados por 1m³ de compósito cimentício ... 54

Tabela 3.8 - Quantidades de corpos de prova por dosagem ... 56

Tabela 4.1 - Resumo dos resultados de resistência à compressão dos compósitos de média resistência mecânica ... 66

Tabela 4.2 - Análise Anova da resistência à compressão dos compósitos de média resistência mecânica ... 66

Tabela 4.3 - Resumo dos resultados de resistência à compressão dos compósitos de alta resistência mecânica ... 67

Tabela 4.4 - Análise Anova da resistência à compressão dos compósitos de alta resistência mecânica ... 67

Tabela 4.5 - Consumo de aglomerante por m3 de compósito cimentício reforçado por resistência à compressão adquirida ... 68

Tabela 4.6 - Resumo dos resultados do módulo de elasticidade dos compósitos de média resistência mecânica ... 70

Tabela 4.7 - Análise Anova do módulo de elasticidade dos compósitos de média resistência mecânica ... 70

Tabela 4.8 - Resumo dos resultados do módulo de elasticidade dos compósitos de alta resistência mecânica ... 70

Tabela 4.9 - Análise Anova do módulo de elasticidade dos compósitos de alta resistência mecânica ... 71

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Tabela 4.10 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 38mm distribuídas ... 73 Tabela 4.11 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 38mm distribuídas ... 73 Tabela 4.12 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 38mm distribuídas ... 73 Tabela 4.13 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 38mm distribuídas ... 74 Tabela 4.14 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 38mm concentradas no fundo ... 75 Tabela 4.15 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 38mm concentradas no fundo ... 76 Tabela 4.16 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 38mm concentradas no fundo ... 76 Tabela 4.17 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 38mm concentradas no fundo ... 76 Tabela 4.18 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 66 mm concentradas no fundo ... 84 Tabela 4.19 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 66 mm concentradas no fundo ... 84 Tabela 4.20 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 66 mm concentradas no fundo ... 85 Tabela 4.21 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 66 mm concentradas no fundo ... 85 Tabela 4.22 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 82 mm concentradas no fundo ... 90 Tabela 4.23 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de média resistência mecânica com fibras 82 mm concentradas no fundo ... 90

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Tabela 4.24 - Resumo dos resultados de resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 82 mm concentradas no fundo ... 90 Tabela 4.25 - Análise Anova da resistência à tração na flexão dos compósitos de alta resistência mecânica com fibras 82 mm concentradas no fundo ... 90

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LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS

ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM - American Society for Testing and Materials ECC - Compósitos Cimentícios Projetados

CH - Hidróxido de Cálcio CP - Cimento Portland

C-S-H - Silicato de Cálcio Hidratado DRX - Difração de Raios-X

DTA - Análise Térmica Diferencial

EDS - Espectrômetro de Raios X Dispersivo em Energia

EDX - Espectrômetro de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva FRC - Concreto Reforçado com Fibra

HDPE - Polietileno de Alta Densidade HMPE - Polietileno de Alto Módulo HPC - Concreto de Alto Desempenho HSC - Concreto de Alta Resistência IP - Índice de Plasticidade

ITZ - Zona de transição interfacial

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NM - Norma Mercosul

OPC - Concreto de Cimento Portland PA - Poliamida

PAN - Acrílico PE - Polietileno PES - Poliéster

PET - Polietileno tereftalato PF - Fibra de polipropileno PO - Poliolefina

PP - Polipropileno PVA - Poliálcool vinílico

RFRC - Concreto reforçado com fibras recicladas TG - Termogravimétrica

Tg - Temperatura de transição vítrea

UHPC - Concreto de ultra alto desempenho

UHPFRC - Concreto reforçado com fibras de ultra alto desempenho UHP-ECC - Compostos cimentícios projetados de altíssimo desempenho

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RESUMO

O cimento Portland está entre os materiais mais consumidos do mundo, principalmente no que diz respeito ao concreto. A demanda pelos derivados do cimento Portland deve-se as suas versatilidades estéticas, mecânicas e estruturais, entretanto as matrizes cimentícias possuem como limitações a sua baixa resistência à tração e fratura frágil. A utilização de fibras em matrizes cimentícias com funções estruturais conferem melhorias nessas propriedades. Comumente, fibras de aço e de polipropileno são utilizadas comercialmente em concretos, sendo que a primeira contribui para a melhoria da resistência à tração e a segunda está restrita a um reforço não estrutural, devido sua baixa resistência mecânica. Poucos são os estudos com inserção de fibras poliméricas de alta resistência mecânica em matrizes cimentícias para melhorias da referida propriedade. Devido a isso o presente trabalho pesquisou a influência da adição de fibras poliméricas de alta resistência mecânica nas propriedades mecânicas de matrizes cimentícias com funções estruturais. Para isso foram confeccionadas argamassas estruturais com e sem adição de fibras. A utilização das argamassas estruturais foi escolhida para simular concretos estruturais sem a influência dos agregados graúdos. Foram utilizadas duas fibras, obtidas a partir dos polímeros polietileno de alto módulo (HMPE) e poliéster (PES). As matrizes tiveram seus constituintes caracterizados e foram moldados corpos-de-prova para as diferentes configurações de fibra e composição de argamassa. As fibras foram dosadas em massa com 0,5 % e foram distribuídas nas matrizes durante a mistura ou concentradas na superfície sujeita à tração na flexão. A concentração das fibras foi realizada com objetivo de avaliar uma maior possibilidade de desempenho de reforço. Os resultados demonstraram que o reforço com fibras poliméricas de alta resistência mecânica em compósitos cimentícios de média e alta resistência mecânica é viável e positivo, principalmente no que diz respeito ao uso de HMPE.

Palavras-chave: 1. Compósitos cimentícios. 2. Fibras poliméricas de alta resistência. 3. Concreto reforçado com fibra. 4. Tensão residual.

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ABSTRACT

The cement Portland and their matrices are among the most consumed materials in the world, especially with regard to concrete. The demand for Portland cement derivatives is due to its aesthetic, mechanical and structural versatilities, however, the cementitious matrices has limitations which are its low tensile strength and its brittle fracture. The use of fibers in cementitious matrices with structural functions gives improvements in these properties. Commonly, steel and polypropylene fibers are used commercially in concrete. While the steel fibers increase tensile strength effectively, the polypropylene fibers are restricted to non-structural reinforcement due to its low mechanical strength. There are not many studies conducted on the influence of inserting high mechanical strength polymeric fibers in cementitious matrices on its tensile strength. Therefore, the present work investigated to what extent the addition of high mechanical strength polymeric fibers enhances mechanical properties of cement matrices with structural functions. To achieve the objective, structural mortars were made with and without high mechanical strength polymeric fibers: high modulus polyethylene (HMPE) and polyester (PES) polymers. The structural mortars were chosen to simulate structural concretes without the influence of coarse aggregate. The matrices had their constituents characterized and were molded specimens for the different fiber configurations and mortar composition. The fibers were mass dosed with 0.5% and were distributed in the matrices during mixing or concentrated on the surface subjected to tensile in flexion. The concentration of the fibers was performed in order to evaluate a greater possibility of reinforcement performance. The results showed that the reinforcement with polymeric fibers of high mechanical resistance in cementitious composites of medium and high mechanical resistance is feasible and positive, mainly with respect to the use of HMPE.

Keywords: 1. Cementitious composites. 2. High strength polymeric fibers. 3. Fiber reinforced concrete. 4. Residual strength.

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INTRODUÇÃO

Ao longo dos anos, houve uma contínua expansão do consumo de concreto, com isso, suas limitações também se tornaram mais relevantes. É notório que o concreto tradicional é resistente na compressão, mas é sabido que ele é menos eficiente quando submetido à esforços de tração. Isso torna os compósitos de cimento propensos a falhas frágeis e catastróficas. Uma das causas dessa fragilidade do compósito cimentício é devido à falta de mecanismos de dissipação de energia. Ao contrário dos metais, a dissipação de energia não é uma propriedade inerente aos compósitos tradicionais a base de cimento. Sendo a resistência à compressão o parâmetro mais importante do concreto, e muitas vezes, o foco de vários trabalhos de pesquisa é mais inclinado a melhorar a resistência à compressão como uma medida para elevar o desempenho do concreto. Entretanto, a melhoria na resistência à compressão não é garantia de um bom desempenho estrutural (Sasmal, S.; Avinash, G., 2016, p. 136–147). Numa definição bastante simplificada que o concreto na sua concepção tradicional é um material compósito constituído de uma matriz cimentícia e de outras fases agregadas como água, areia e pedra britada. Nessa configuração básica o concreto possui um comportamento frágil com baixa resistência ao impacto e baixa deformação sendo destinado a aplicações tradicionais onde esses requisitos não são rigorosamente exigidos. Felizmente, uma das evoluções citadas no parágrafo anterior pode melhorar significativamente algumas das preocupações relacionadas à fragilidade do concreto e sua baixa resistência ao crescimento e propagação de rachaduras, trata-se da adição de fibras na matriz cimentícia (Banthia, N. et al., 2013, p. 91-97).

Diferente do concreto comum, o compósito cimentício projetado (ECC, do inglês Engineered Cementitious Composite) é um tipo especial de compósito cimentício reforçado com fibras de alto desempenho que apresentam alta ductilidade e maior tolerância a danos sob carga mecânica, incluindo cargas de tração e

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cisalhamento. O endurecimento de deformação característica do ECC após a primeira fissuração da matriz é acompanhado pelo desenvolvimento sequencial de múltiplas micro-fissuras e a capacidade de deformação na tração é de 300 a 500 vezes maior que o concreto convencional. No ECC, alcança alta ductilidade na tração com a formação de múltiplas micro-fissuras. Mesmo com carga final, a largura da fissura permanece na ordem de 50 a 80 micrômetros (μm). Essa estreita largura de fissura, sendo o compósito usado em combinação com armadura convencional ou não, é uma característica do material independente da relação de armadura (Mohamed, A. A. et al., 2015, p.1299-1330).

As matérias-primas do ECC consistem em cimento, areia de quartzo, cinza volante (FA, do inglês Fly Ash) ou sílica ativa (SF, do inglês Silica Fume), água, superplastificante e fibras curtas distribuídas. Teores menores ou iguais a 2% da fração volumétrica de fibras são muito favoráveis em termos de viabilidade econômica. Para a aplicação em larga escala de ECC, o uso de ingredientes locais torna-se a primeira escolha do ponto de vista dos fatores econômicos e da sustentabilidade da infraestrutura. A viabilidade do uso de ECC com a utilização de ingredientes locais vem sendo estudada por um grande número de pesquisadores. Além da viabilidade econômica, o ECC reforçado com fibras é considerado um material de reparo satisfatório, pois possui pseudo-ductilidade elevada e uma largura de fissura reduzida. Nesse contexto, a ductilidade é cada vez mais reconhecida como um parâmetro de desempenho importante no reparo de durabilidade. Como material de reparo, o ECC pode exibir excelente compatibilidade de deformação com a estrutura do substrato de concreto. A elevada resistência à fratura e os múltiplos comportamentos de fissuração podem fazer com que o ECC melhore efetivamente a propagação instável de trincas causadas na interface de concreto novo e antigo. Portanto, reduz os tipos de danos iniciais comuns em estruturas de reparo (Deng, H., 2018, p. 1-15). A ductilidade é a medida do valor de deformação (capacidade de deformação por tração) sob crescente deformação de tração até que o material perca sua capacidade de carga. Um concreto psedo-dúctil pode sofrer deformação volumétrica inelástica e pode ser resiliente a cargas severas, mantendo parte da sua capacidade de carga após o surgimento de trinca. A adição de reforço em

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fibras no concreto é uma das maneiras de agregar pseudo-ductilidade ao concreto. Compósitos reforçados com fibra podem sofrer deformações inelásticas sob carga severa e manter a capacidade de carga. As fibras atuam como ponte mantendo as fissuras fechadas e se tornando uma forma de dissipar a energia na ponta da fissura à medida que a fissura cresce com o aumento da carga. Isso atrasará a falha, resultando em um modo modificado de falha, do comportamento de suavização da tensão pós-pico frágil para pseudo-dúctil (Sasmal, S.; Avinash, G., 2016, p. 136–147).

Uma das diferenças entre concreto comum e compósito cimentício projetado está na presença de agregados graúdos. Os agregados graúdos não são utilizados nos ECCs, o que também colabora para que os materiais apresentem comportamento mecânico distintos. Como a resistência mecânica e a rigidez dos agregados graúdos são significativamente diferentes da matriz circundante, observar a influência da adição de fibras na matriz torna-se difícil na presença de agregados graúdos. Normalmente, os agregados graúdos são como inclusões em uma matriz. Toda a matriz junto com as inclusões quando submetidas à carga resulta no desenvolvimento de tensões internas devido à presença de agregados que podem auxiliar no início das trincas. Por outro lado, fibras são adicionadas para controlar fissuras. Desta forma, com a relação à adição dos dois materiais, a fibra ajuda na mitigação da propagação da fissura e o agregado graúdo colabora para a iniciação da fissura (Deb, S. et al., 2018, p.405-411). Devido a isso, a utilização das fibras em compósitos cimentícios (concretos) confeccionados com agregados graúdos torna a análise da real influência isolada das fibras na matriz mais complexa.

Desta forma, diferentes tipos de fibras podem ser utilizados como material de reforço em uma matriz cimentícia, cada grupo com as suas especificidades e vantagens tecnológicas. As fibras são categorizadas como metálicas, sintéticas ou naturais. Entre os vários tipos de fibras, a fibra de aço (metálica) é a mais comumente usada para fins mais estruturais e não estruturais. Na sequência vem as fibras de polipropileno (PP), vidro e outras fibras; entretanto, esses tipos de fibras não usados em aplicações de concreto estrutural. A contribuição mais significativa das fibras é a capacidade distribuir as tensões internas no concreto endurecido que causam a formação de microfissuras, e com isso, retardar a

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propagação da fissura (Afroughsabet, V. et al. 2016, p. 6517-6551); (Hassanpuor, M. et al. 2012, p. 452-461).

Em contraponto ao que foi relatado até agora, apesar dos grandes avanços obtidos com o emprego das fibras de aço em matrizes cimentícias, as pesquisas com fibras poliméricas vêm aumentando e diversas aplicações vem ganhando cada vez mais efetividade, podendo em alguns casos apresentar certas vantagens tecnológicas sobre as fibras de aço como por exemplo melhor relação de rigidez versus peso da estrutura, maior resistência à corrosão, fadiga, impactos, incêndios e melhor trabalhabilidade. Outra possível desvantagem apresentada pelo concreto produzido com fibras de aço é a ocorrência indesejável de propriedades elétricas e magnéticas (Hsie, M., 2008, p. 153-157). Desta forma, considerando os avanços com o emprego de outras fibras, e buscando agregar conhecimento, a inserção de fibras poliméricas de alta resistência mecânica em compósito cimentício será o foco da presente pesquisa. Foram verificadas as possíveis contribuições provenientes do emprego das fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) e poliéster (PES) em concretos e para isso será eliminada a influência do agregado graúdo (brita) com o objetivo de melhor avaliação da influência da fibra polimérica com alta resistência mecânica. Essas possíveis melhorias nas propriedades mecânicas da matriz cimentícia tais como, a sua tenacidade, pseudo-ductilidade, resistência à tração, impacto e flexão poderão ser de grande valia, uma vez que existem inúmeras estruturas de concreto sujeitas a cargas de impacto, tais como painéis de parede, estruturas hidráulicas, pavimentos de aeroportos, estruturas militares e instalações de maquinários industriais sobre o piso.

Ainda mais, estudos com compósito cimentício projetado (ECC), em especial compósito cimentício reforçado com fibra de alto desempenho, que usualmente não fazem uso de agregados graúdos na sua constituição, ganham visibilidade no cenário internacional. Em pesquisa do termo Engineered Cementitious Composite na base de dados Engeneering Village da Elsevier em 02 de novembro de 2018 utilizando o campo “Assunto/Título/Resumo” (em inglês Subject/Title/Abstract) foram encontrados 1462 registros em Compendex & Knovel para 1884-2019, sendo que 193 registros (13,2% do total) são referentes

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a publicações nos anos de 2018 e 2019 e considerando os anos de 2017, 2018 e 2019 esse número sobe para 316 registros (21,6% do total), demostrando a atualidade das pesquisas com Engineered Cementitious Composite.

1.1 Justificativa

A sociedade moderna consome cerca de 10 bilhões de toneladas de materiais de engenharia, conforme Figura 1.1, sendo que a produção anual mundial em toneladas de concreto ultrapassa todos os outros materiais somados, uma vez que a escala do gráfico apresentada na referida figura está em escala logarítmica (Ashby, M. et al., 2012, 650p.).

Figura 1.1 - Consumo de hidrocarbonetos e de materiais de engenharia.

Fonte: Ashby, M. et al., 2012, 650p.

O concreto continua sendo o material de construção mais importante e seu consumo continua crescendo em todos os países e regiões do mundo. Na Figura 1.2 é apresentada a evolução da produção de cimento Portland (dados derivados de CDIAC e CEMBUREAU) e aço bruto (World Steel Association) com população (UN Population Division) e percebe-se que a produção de cimento a partir do ano 2000 aumentou a taxas maiores que as taxas de crescimento da produção do aço, e da população (Scrivener et al., 2016, 50p). Como no Brasil, 40% da produção de cimento Portland é utilizado para confecção de concreto (Figura

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1.3), o crescimento da produção de cimento indica, quase diretamente, o crescimento da produção de concreto (Scrivener et al., 2016, 50p).

Figura 1.2 - Comparação da produção de cimento Portland (dados derivados de CDIAC e CEMBUREAU) e aço bruto (World Steel Association) com

população (UN Population Division).

Fonte: Adaptado de Scrivener, John, Gartner (2016).

Figura 1.3 - Diferentes usos do cimento no Brasil.

Fonte: Adaptado de Scrivener, John, Gartner (2016).

Argamassa 40% Outros 20% Concreto reforçado 25% Concreto simples 15% Concreto 40%

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As razões para esse crescimento da produção de concretos são múltiplas: seus componentes estão disponíveis em todos os lugares e são relativamente baratos, sua produção pode ser simples, sua aplicação abrange grande variedade de obras. Além disso, há cerca de 40 anos, seu desenvolvimento vem se aprimorando, dando origem a concretos de alto desempenho (HPC do inglês High-Performance Concrete). Certas características foram desenvolvidas para aplicação em ambientem específicos, estas características não são apenas de resistência mecânica, mas melhor durabilidade, maior resistência a vários agentes externos, alta taxa de endurecimento, melhor aspecto, etc. Portanto, devido a seu vasto consumo e apesar de toda essa evolução, trata-se de um material que provavelmente continuará sendo foco de incontáveis pesquisas científicas (Brandt, A. M., 2008, p.3-9).

Outro ponto relevante que merece destaque refere-se à sustentabilidade que cada vez mais é um tema de preocupação em todos os setores, atualmente sendo um dos maiores desafios para o setor de construção. A melhor maneira de se conseguir isso é usando materiais sustentáveis visando sempre aproveitar as suas melhores propriedades. Materiais cimentícios comuns que não são reforçados têm baixa resistência à tração, tenacidade à fratura e resistência à tração que pode ser consideravelmente melhorada pela adição de fibras. As principais propriedades que podem ser aprimoradas com a inclusão dessas fibras são a resistência à tração, resistência à flexão, tenacidade à fratura, resistência à fadiga, ao impacto e ao choque térmico (Mukhopadhyay, S.; Khatana, S., 2015, p.239-264).

Desta forma, o concreto tradicional já não pode atender a todas as necessidades atuais devido à complexidade dos projetos, das próprias estruturas e de alguns ambientes de serviço. Para construir pontes de extensão mais longas, edifícios mais altos e estruturas de concreto reforçado mais sustentáveis e duráveis, torna-se imperativo projetar materiais cimentícios mais eficientes, com resistência à tração e compressão aprimorada, durabilidade e ductilidade superiores, buscando manter a menor largura de fissura possível sob carga de tração. A otimização tecnológica dos diferentes componentes, proporções e processos pode permitir uma produção mais simplificada e menos onerosa de misturas de concreto de ultra alto desempenho, que não exigirão nem cura por

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calor, nem cura por pressão, nem um misturador especial, ajudando a atender a necessidade de aplicações no local fornecendo compostos que são significativamente mais rentáveis do que os atualmente disponíveis alternativas no mercado (Wille, K. et al., 2011, p. 309-324 e Jin, L et al., 2018, p.102-111). Voltando à fragilidade do concreto, sabe-se que essa característica tem sido seu gargalo por muitas décadas, sua baixa resistência à tração e ductilidade são as principais razões para o reparo e a reabilitação frequentes de estruturas de concreto. Contudo, conforme já dito, a adição de fibras reduz a fragilidade e melhora a tenacidade à fratura. Há um crescente interesse em melhorar o comportamento do concreto sob carga de tração e incorporar o comportamento de endurecimento de tensão. A otimização de compósitos com base em micromecânica pode ser empregada para desenvolver os compósitos cimentícios que exibem comportamento de endurecimento por deformação usando um conteúdo de fibra ótimo. Além disso, o compósito de cimento reforçado com fibras cientificamente concebido pode proporcionar uma capacidade de deformação por tensão que é várias vezes superior à do concreto convencional (Sasmal, S.; Avinash, G., 2016, p. 136-147).

Portanto, a melhoria da ductilidade na tração e na flexão, juntamente com características leves, são necessidades típicas de materiais compostos de cimento e ou concreto de alto desempenho para uso em obras de infraestrutura. Sendo bem conhecido que certas propriedades mecânicas de compósitos cimentícios podem ser melhoradas pela adição de materiais de reforço como fibras de aço, fibras de vidro, de carbono e fibras poliméricas sintéticas (polipropileno, polietileno, álcool polivinílico, acrílicos, poliamida, poliéster). E de acordo com Bentur e Mindess (1990, p. 105), as fibras de aço ainda são as mais empregadas em compósitos cimentícios, por conseguirem exercer um papel importante, atuando como ponte de alívio de tensões na região de fratura. Elas podem aumentar a resistência mecânica do compósito por meio de transferência de cargas e tensões através de fissuras. Isto implica uma curva de tensão-deformação ascendente após a formação da trinca, este comportamento é conhecido como endurecimento por deformação. Elas também aumentam a resistência mecânica do compósito, fornecendo mecanismos de absorção de

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energia, relacionados com a descolagem e processos deslizamento das fibras nas pontes das rachaduras.

De acordo com Söylev, T. A e Özturan, T. (2014, p. 67-75), apesar dos grandes avanços já citados, a utilização tecnológica de fibras em concreto ainda está amplamente voltada para as fibras de aço e polipropileno. Outro dado relevante é que se tratando de polipropileno sua aplicação está restrita a um reforço não estrutural com a finalidade de diminuir o crescimento de trincas devido apenas à retração plástica por secagem (retração hidráulica), não contribuindo, portanto, para a capacidade de carga do concreto. Outro aspecto a ser considerado, é que dados da literatura mostram que a melhoria na resistência à compressão proporcionada pela adição de fibra de aço pode ser muito limitada.

Os autores Sadrinejad et al., (2018, p. 72-82) descrevem algumas possíveis limitações das fibras de aço, tais como a corrosão e efeito sobre campos elétricos e magnéticos, que limitam seu uso e citam a alta densidade volumétrica como uma desvantagem. Para eles, levando em conta essas características, as fibras sintéticas podem ser consideradas como uma alternativa prática.

De acordo com Said e Razak (2015, p. 447-457), a densidade específica das fibras de polímero é cerca de seis ou sete vezes menor que a das fibras de aço. Segundo Mo et al., (2016, p. 113-121), as fibras de polímero possuem um custo significativamente menor quando comparadas às fibras de aço convencionais, e os autores relatam que a adição de fibras de polímero são notoriamente conhecidas por melhorar a resistência mecânica do compósito devido à capacidade das fibras de reforçarem a matriz do compósito cimentício. Além disso, as fibras de polímero são vantajosas na diminuição da perda de resistência do material cimentício exposto a temperatura elevada. Isso se deve principalmente ao derretimento das fibras quando expostas a temperaturas acima de seu ponto de fusão, que subsequentemente induzem vazios e atuam como um canal na liberação da pressão dentro do compósito.

Apesar do custo superior, o concreto de alta resistência (HSC, do inglês High Strength Concrete) resolveu muitos casos estruturais por causa de suas características distintas, desde a sua invenção e surgimento. O aprimoramento

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desses vários tipos de concretos de alto e ultra alto desempenho reforçados com fibras dispersas, resulta na criação de um grupo de materiais de construção muito importantes. Atualmente, para muitas estruturas pênseis ou para construção em condições especiais, a aplicação de concretos reforçados com fibra (FRC, do inglês Fiber Reinforced Concrete) é considerada necessária, e essa situação será estendida no futuro. Novos componentes e tecnologias desenvolvidos para fins especiais são agora, pelo menos em parte, aplicados na produção diária em usinas de concreto pré-misturado. Em geral, concreto e particularmente concreto com reforço de fibra dispersa está se tornando um material de alta tecnologia que fornece excelente desempenho, mas requer projeto e execução competentes. Vários métodos experimentais e teóricos que são aplicados com sucesso serão certamente utilizados em pesquisa e desenvolvimento adicionais (Brandt, A. M., 2008, p.3-9).

Nesse sentido, levando em consideração os argumentos e relatos previamente explanados, a incorporação de diferentes de fibras em argamassas estruturais ou concretos pode resultar num compósito com um maior desempenho de engenharia em relação às suas propriedades mecânicas. Assim esse trabalho propõe avaliar a utilização de fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) e poliester (PES) no comportamento mecânico de compósito cimentício reforçado com fibra de alto desempenho, como alternativa às principais fibras atualmente empregadas para esse fim.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é analisar o comportamento mecânico de compósitos cimentícios reforçados com fibras poliméricas de alto desempenho. As fibras de HMPE e PES foram escolhidas para esse trabalho por apresentarem propriedades potencialmente atrativas para aplicação em compósitos cimentícios. Desta forma, foi vislumbrado o potencial de desenvolvimento de compósito cimentício de elevado desempenho.

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1.2.2 Objetivo específico

Entre os objetivos específicos deste trabalho estão:

• avaliar a influência das fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) e poliéster (PES) na resistência à flexão de compósito cimentício reforçado com fibra de alto desempenho;

• avaliar a influência das fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) e poliéster (PES) na tenacidade e resistência ao impacto de compósito cimentício reforçado com fibra de alto desempenho;

• entender os mecanismos de reforço proporcionado pelo uso de fibras de alta resistência mecânica em compósitos cimentícios estruturais.

• avaliar a influência das fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) e poliéster (PES) na condutividade térmica de compósito cimentício reforçado com fibra de alto desempenho;

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REVISÃO BIBLIOGRAFICA

2.1 Concretos reforçados com fibras

O concreto reforçado com fibra é um material compósito no qual busca-se melhores níveis de resistência à tração e à flexão, adicionando fibras de reforço à mistura de concreto. Esta mistura composta tem integridade e coesão apropriada, o que permite que o concreto atue como um material pseudo-dúctil a ser usado para a produção de peças estruturais em diversas geometrias. Um dos benefícios do concreto reforçado com fibras é a grande capacidade de absorção de energia. Atualmente, o uso de fibra de vidro, polipropileno, aço, carbono e a produção de diferentes tipos de compósitos tornou-se possível em diversas aplicações industriais, e implementá-las no mundo desenvolvido é altamente atraente para os setores de construção civil. Os concretos reforçados com fibras têm propriedades desejáveis, tais como, alta ductilidade, alta resistência mecânica, grande capacidade de absorção de energia e resistência contra propagação de trincas e rachaduras, o que os tornam apropriados para inúmeras aplicações (Yousefieh, N. et al., 2017, p. 833-834).

O uso de fibras para reforçar um material frágil pode ser rastreado até os tempos egípcios, quando a fibra de amianto foi usada para reforçar panelas de barro cerca de 5000 anos atrás. A primeira introdução de concreto para fins de construção, pode ser rastreado até os pedreiros fenícios cerca de 1500 aC e mais tarde a maioria dos edifícios remanescentes do Império Romano eram feitas de concreto. Após todo esse período, o concreto continua sendo amplamente empregado na construção civil, isto significa um desenvolvimento e experiência acumulada de 3500 anos em concretos tradicionais como materiais de construção e mais de 100 anos de experiência com uso intensivo de concreto armado. As fibras, por sua vez, são usadas para reforçar o material cimentício desde a antiguidade, tijolos de argila eram reforçados com o uso da palha como fibra e argamassa de alvenaria era reforçada usando crina de cavalo. O concreto reforçado com fibra pode ser introduzido como o modelo avançado desta tecnologia em que a palha e a argila são substituídas por fibras naturais ou

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sintéticas e cimento, respectivamente (Hertz, K. D., 2002, p. 103-116); (Hameed, R. et al., 2009, p.67-72); (Mehta, P. K. e Monteiro, P. J. M., 2006); (Yousefieh, N. et al., 2017, p. 833-834).

Dando sequência e complementando o que foi descrito no parágrafo anterior sobre a importância dos concretos, vale ressaltar os dados referentes ao ano de 2017 que relatam um consumo global de concreto comum de cimento Portland, como sendo o material de construção mais utilizado no mundo, atingindo aproximadamente 10 bilhões de toneladas por ano. Sua combinação exclusiva de resistência mecânica, viabilidade econômica, disponibilidade de recursos de matérias-primas, moldabilidade e durabilidade tornam o concreto comum um candidato ideal para uma ampla variedade de aplicações de infraestrutura civil. Além disso, variando o tipo e a quantidade de constituintes individuais na mistura de concreto (por exemplo, cimento, água, agregado, aditivos), as propriedades de estado fresco e endurecido do concreto de cimento Portland podem ser adaptadas para atender a muitas especificações de projeto diferentes (DeRousseau, M. A. et al., 2018, p. 42-53).

Aliada a todas essas características, outra adaptação que pode ser empregada para adequação de diversas propriedades do concreto no estado endurecido é obtida pela adição de fibras em sua matriz. As fibras de aço e vidro foram utilizadas nos trabalhos iniciais sobre concretos reforçados por fibras nos anos 1950 e 1960, essas fibras iniciais possuíam geometria reta e lisa. Desde então, no entanto, geometrias mais complexas foram desenvolvidas, principalmente para modificar a sua ligação mecânica com a matriz cimentícia. Assim, conforme ilustrado na Figura 2.1, as fibras de aço modernas podem ser fabricadas em forma de gancho ou extremidades deformadas, podem ocorrer como filamentos empacotados ou películas laminadas (Bentur, A.; Mindess, S., 2007, p. 601).

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Figura 2.1 - Exemplos de diferentes formas de fibras metálicas.

Fonte: Adaptação de Sarzalejo et al., 2009.

Uma estratégia bem-sucedida para mitigar as preocupações em relação à fragilidade é usar fibras curtas distribuídas aleatoriamente na mistura de concreto. Os principais fatores que afetam as características do concreto reforçado com fibras (FRC) são o tipo de fibra, geometria, volume, distribuição e sua orientação, bem como as propriedades da matriz. As fibras, dependendo de sua geometria, podem ser classificadas em dois tipos principais: micro e macrofibras. As microfibras são definidas como fibras curtas com um diâmetro de 100 µm ou menos e uma área superficial específica superior a 500 cm²/g. Em contraste, as macrofibras são referidas como fibras maiores em diâmetro e comprimento, em comparação com as microfibras com uma área superficial específica de aproximadamente 10 cm²/g. Segundo a norma ACI 544.1R, as fibras utilizadas no concreto, no que diz respeito aos seus materiais, são divididas em quatro grupos básicos: aço, vidro, fibras sintéticas e naturais. Os estudos confirmaram que a adição de fibras de aço ao concreto pode melhorar significativamente a resistência à ruptura e o módulo de ruptura, a capacidade

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de carga, a ductilidade e a capacidade de absorção de energia e a resistência ao impacto do concreto. Além disso, foi relatado que as fibras de aço podem afetar positivamente a resistência à compressão e o módulo de elasticidade do concreto (Sadrinejad, I. et al., 2018, p. 72-82).

Assim sendo, apesar do concreto possuir altos níveis de resistência mecânica, capacidade de trabalho e desempenho durável, sua estrutura heterogênea possui alguns efeitos indesejáveis. Sua estrutura complexa pode levar a muitas zonas de concentração de tensões internas, criando assim as condições em que alguns vazios internos podem ocorrer no concreto fresco ou em estado endurecido. Mesmo antes de qualquer aplicação da carga ou intempéries, podem existir microfissuras dentro de concreto nas interfaces entre o agregado e da matriz. Além disso, fatores externos tais como as cargas estruturais e efeitos ambientais podem aumentar as fissuras em tamanho e quantidade. A propagação das fissuras na matriz e a junção de trincas produzem fissuras maiores, o que pode resultar na falha do concreto (Dawood, E. T. and Ramli, M., 2011, p. 193-200).

É comprovado que a incorporação de fibras pode atuar de duas formas em compósitos à base de cimento: com reforço primário, para melhorar as propriedades de flexão e tração dos compósitos e como reforço secundário, para evitar a criação e propagação de fissuras na matriz de cimento por ponte sobre as microfissuras. Assim, a aplicação de fibras em materiais cimentícios normalmente é acompanhada de resultados desejáveis como diminuição da criação de fissuras e propagação de fissuras, aumento da tenacidade e ductilidade da matriz, aumento da capacidade de absorção de energia e aumento das resistências à tração e flexão (Dawood, E. T. and Ramli, M., 2011, p. 193-200); (Halvaei, M. et al. 2014, p. 511-524); (Yao, W. et al., 2002, p. 27-30), (Yin, S. et al.,2015, p. 180-188).

As vantagens das fibras descontínuas aplicadas como reforço em compósitos cimentícios são bem conhecidas. As interações interfaciais entre a fibra e a matriz de cimento influenciam as propriedades mecânicas do compósito. Os compósitos cimentícios projetados (ECC) são compósitos à base de cimento, areias de tamanho pequeno, cargas de enchimento, fibras de alto módulo e

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materiais complementares de cimentação. Eles melhoraram as propriedades de tração e flexão em comparação aos concretos tradicionais. Para atingir essas propriedades, fibras de alto módulo, como carbono, aço e fibras de álcool polivinílico, têm sido usadas nos compósitos cimentícios projetados. Os ECCs foram introduzidos na década de 1990, sendo que os primeiros ECCs apresentavam resistência à tração moderada de 4 a 6 MPa e ductilidades mais altas cerca de 3 a 5%. O ECC possui duas características marcantes, a capacidade de microcraqueamento múltiplo em vez de macrocraqueamento na matriz e comportamento de endurecimento de deformação, isto é, um aumento na deformação por tração acompanhada por um aumento na carga após a primeira quebra (Halvaei, M. et al. 2014, p. 511-524).

A capacidade de tração do ECC pode ser cerca de 300 a 500 vezes maior que o concreto normal. Conforme descrito, o ECC apresenta múltiplas fissuras durante o processo de endurecimento por tensão, com uma largura de microfissura de menos de 100 µm, tornando-o um material altamente durável em uma ampla variedade de condições de exposição ambiental. Recentemente, pesquisadores utilizaram fibra de polietileno de ultra alto peso molecular para desenvolver compósitos cimentícios projetados de altíssimo desempenho (UHP-ECC). Sua resistência à compressão, resistência à tração e capacidade de tração podem atingir 120-150 MPa, 15-20 MPa e 8%, respectivamente. O UHP-ECC já tem grandes perspectivas de desenvolvimento em todos os tipos de aplicações de engenharia civil (Zhou, Y. et al., 2018, p. 1-21).

Para aumentar a resistência mecânica de seus compósitos, as fibras devem ter um módulo de elasticidade maior que o da matriz. Para materiais cimentícios, onde o módulo de elasticidade varia de cerca de 15 a 30 GPa, esta condição é difícil de encontrar na maioria das fibras sintéticas. Portanto, foram feitas tentativas para desenvolver fibras com um módulo de elasticidade muito alto para o reforço de cimento. Entretanto, pesquisas teóricas e aplicadas indicaram que, mesmo com fibras de baixo módulo, melhorias consideráveis podem ser obtidas com relação à capacidade de deformação, tenacidade, resistência ao impacto e controle de trinca dos compósitos de concreto reforçado com fibras. Em muitas aplicações, o aprimoramento dessas propriedades é muito mais significativo do

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que um aumento modesto na resistência à tração na flexão (Zheng, Z. and Feldman, D. 1995, p. 185-210).

Fazendo um apanhado geral, as fibras de aço podem melhorar muito a resistência à tração e a resistência à flexão do concreto devido à sua capacidade de absorver energia e controlar as rachaduras. Porém, suas propriedades elétricas, magnéticas e de condutividade térmica as tornam inadequadas para algumas aplicações especiais e a corrosão das fibras de aço pode ser prejudicial e levar à rápida deterioração das estruturas de concreto. A fibra de vidro por sua vez, possui um excelente efeito de fortalecimento, mas pouca resistência à álcalis. Fibras naturais, como madeira, sisal, coco, bagaço de cana-de-açúcar, palmito e fibras vegetais, são baratas e facilmente disponíveis, mas têm baixa durabilidade. As fibras sintéticas podem ser feitas de acrílico, aramida e carbono. Eles podem evitar fissuras de retração plástica em concreto fresco e melhorar o comportamento pós-fissuração do concreto (Yin, S. et al.,2015, p. 180-188).

2.2 Fibras sintéticas

Uma fibra sintética pode ser descrita como um corpo flexível, macroscopicamente homogêneo, com uma elevada razão de aspecto (relação entre comprimento e diâmetro) e uma pequena seção transversal. As fibras sintéticas são desenvolvidas e produzidas pelas indústrias petroquímica e têxtil, obtidas a partir de macromoléculas naturais ou polímeros sintéticos. Elas são comprovadamente duráveis sob muitas condições normais e severas, possuem boa ligação com o cimento Portland e via de regra não proporcionam problemas de saúde. A organização das cadeias poliméricas no espaço tridimensional determina em grande parte as propriedades químicas, físicas e mecânicas de uma fibra. As propriedades características das fibras são alcançadas por meio do desenvolvimento de uma organização de cadeia intermolecular que geralmente pode ser descrita como altamente orientada e cristalina. Todas as fibras têm uma característica estrutural particular em comum: uma orientação preferencial de suas unidades elementares em relação ao eixo da fibra (Zheng, Z. and Feldman, D. 1995, p. 185-210).

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A utilização de fibras poliméricas é favorecida pela sofisticação tecnológica da indústria de fibras sintéticas, que disponibiliza uma ampla gama de fibras de módulos de tensão muito baixos a extremamente elevados. Seu emprego está relacionado a uma necessidade importante do FRC, a durabilidade, que é muito importante, pois as construções de concreto são geralmente projetadas para durar várias décadas. Isso requer que os constituintes da FRC permaneçam quimicamente estáveis durante um longo período em condições de serviço. Os principais componentes do cimento Portland são silicatos e aluminatos de cálcio. Na presença de água, ocorrem reações de hidratação e hidrólise, resultando em uma solução fortemente alcalina (pH 10 a 12) de hidróxido de cálcio [Ca (OH) z]. Algumas fibras (por exemplo, vidro) perdem a sua resistência gradualmente quando misturadas com cimento Portland. As fibras de nylon, polipropileno e polietileno são muito resistentes aos álcalis e não são verificadas degradação dessas fibras no cimento (Wang, Y. et al., 1987, p. 4281-4291).

As fibras sintéticas podem fornecer um reforço eficaz e relativamente barato para o concreto e são alternativas para o amianto, aço e fibras de vidro. Dentre os tipos de fibra que foram incorporados nas matrizes de cimento incluem polietileno (PE), polipropileno (PP), acrílicos (PAN), poliálcool vinílico (PVA), poliamidas (PA), aramida, poliéster e carbono. As propriedades das fibras sintéticas variam amplamente, em particular no que diz respeito ao módulo de elasticidade, uma característica importante quando as fibras são utilizadas para a produção de compósitos. A Tabela 2.1 apresenta um resumo das propriedades físicas de várias fibras sintéticas (Zheng, Z. and Feldman, D. 1995, p. 185-210).

Tabela 2.1 - Propriedades físicas de fibras poliméricas

Fibra Massa específica Resistência à tração (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) Alongamento (%) Acrílico 1,17 207-1000 14,6 7,5-50,0 Aramida 1,44 3620 62 4,4 Aramida de alto módulo 1,44 3620 117 2,5 Nylon 1,16 965 5,17 20 Poliéster 1,34-1,39 896-1100 17,5 - Polietileno 0,96 200-300 5,0 3,0 Polipropileno 0,90-0,91 310-760 5,5-4,9 15,0

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Entre os vários tipos de fibras sintéticas, as fibras baseadas em polímeros são mais famosas do que as outras. As fibras de polipropileno e poliolefina são dois membros principais das fibras baseadas em polímero usadas no concreto. Estas fibras poliméricas, devido à sua hidrofobicidade e excelente estabilidade química, podem apresentar durabilidade de longo prazo em um ambiente agressivo. Durante a última década, muitos pesquisadores estudaram as características de concretos, incluindo fibras de polipropileno ou poliolefinas. A revisão de estudos anteriores indicou que as fibras de poliolefina podem influenciar positivamente a resistência à tração, energia de fratura e rachadura devido a retração do concreto em comparação com o concreto simples, embora os resultados conflitantes foram relatados sobre os seus efeitos sobre a resistência à compressão. De acordo com a literatura disponível, a utilização de fibras de polipropileno de tamanho micro em misturas de concreto pode melhorar a resistência à tração, resistência à flexão, coeficiente de sortividade, penetração de íons cloreto, permeabilidade à água, resistividade elétrica e retração em comparação com concreto comum. Além disso, foi relatado que a presença de fibras de polipropileno na mistura de concreto pode diminuir a quantidade e o tamanho dos micros vazios, além de reduzir a porosidade na zona de transição em torno dos agregados (Sadrinejad, I. et al., 2018, p. 72-82).

À medida que as fibras de polímero possuem um custo significativamente menor do que as fibras de aço convencionais, o uso de fibras de polímero pode apresentar uma alternativa mais atraente em materiais de construção não estruturais, nos quais são dadas grande ênfase aos custos de produção envolvidos. Além disso, as fibras de polímero são vantajosas na redução da perda de resistência mecânica das matrizes cimentícias expostas a temperaturas elevadas. Isto ocorre principalmente devido à decomposição das fibras quando expostas à temperatura acima do seu ponto de fusão, gerando posteriormente vazios que atuam como canais de alívio de pressão dentro do compósito (Mo et al. 2017, p. 113-121).

As propriedades do polietileno (PE) são fortemente dependentes da massa molecular e do grau de cristalinidade. A fibra de polietileno de alta resistência tem excelente resistência mecânica e baixa temperatura de fusão de 147 °C. Uma das vantagens da fibra de polietileno é que ela pode ser produzida com um

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módulo de elasticidade relativamente alto. Este material tem uma curva de tensão-deformação linear até falha. As fibras polietileno de alto módulo têm propriedades desejáveis de retenção de resistência mecânica sob exposição a longo prazo a ambientes agressivos (por exemplo, água do mar, álcalis e ácidos). Estas fibras têm uma estabilidade térmica razoável, mantendo uma percentagem significativa das suas propriedades à temperatura ambiente a temperaturas elevadas próximas dos 80 °C. Suas propriedades de fluência se comparam favoravelmente com as de outras fibras orgânicas. Em aplicação à pasta de cimento, a fibra polietileno de alto módulo é altamente eficaz no aumento das características de resistência à flexão e tenacidade e resistência ao impacto do material (Zheng, Z. and Feldman, D. 1995, p. 185-210).

As utilizadas nesse trabalho são o polietileno de alto módulo (HMPE) e o polietileno tereftalato (PET), também comumente tratado apenas por poliéster (PES), essas fibras são empregadas na fabricação de cordas para emprego naval. O HMPE é o nome usualmente utilizado para se referir ao polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), é que um subconjunto do polietileno termoplástico. O HMPE possui cadeias longas sem ramificações o que colabora para aumentar as interações intermoleculares, ajudando a distribuir de forma mais homogênea e eficaz as tensões internas. Isso resulta em um material muito resistente, com a maior resistência ao impacto quando comparado a qualquer termoplástico atualmente fabricado.

O polietileno é um polímero formado a partir de etileno (C2H4), que é um gás com

um peso molecular de 28 g/mol. A fórmula química genérica para o polietileno é - (C2H4) n–, onde n é o grau de polimerização. Um esquema das estruturas

químicas para etileno e polietileno é mostrado na Figura 2.2. Existem vários tipos de polietileno, dependendo do grau de polimerização ou pesos moleculares e arquiteturas de cadeia. Os polietilenos, LDPE e LLDPE referem-se a polietileno de baixa densidade e polietileno linear de baixa densidade, respectivamente. Estes polietilenos têm geralmente arquiteturas de cadeias ramificadas e lineares, respectivamente, cada uma com um peso molecular de tipicamente inferior a 50.000 g/mol. O polietileno de alta densidade (HDPE) é um polímero linear com um peso molecular de até 200.000 g/mol (Sherazi, T. A., 2014, p. 1-2).

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Figura 2.2 - Esquema da estrutura química do etileno e polietileno

Fonte: Adaptação de Sherazi, T. A.2014.

O peso molecular tem influência sobre as propriedades do polietileno de alta densidade (HDPE), principalmente devido ao seu efeito na cinética de cristalização, cristalinidade final e ao caráter morfológico da amostra. O efeito do peso molecular depende de sua extensão. O polietileno de baixo peso molecular é frágil e quebra sob baixas deformações, sem desenvolver “pescoço” (similar a estricção em metais) no ensaio de tração. Além disso, o peso molecular exerce influência sobre a resistência ao impacto. Um aumento no teor de ramificações reduz a cristalinidade e é acompanhado por variação significativa das características mecânicas, uma vez que causa um aumento no alongamento na ruptura e uma redução da resistência à tração. A orientação das cadeias poliméricas exerce um forte efeito sobre as propriedades mecânicas do polímero. Materiais fabricados com HDPE altamente orientado são aproximadamente dez vezes mais resistentes do que os fabricados a partir do polímero não orientado, pois a orientação aumenta o empacotamento das cadeias e consequentemente aumenta a rigidez do polímero. O polietileno linear é altamente cristalino (acima de 90%), pois apresenta um baixo teor de ramificações. Esse polímero contém menos que uma cadeia lateral por 200 átomos de carbono da cadeia principal e sua densidade está entre 0,95 e 0,97 g/cm³. Em relação à estrutura química, o HMPE e o HDPE são muito parecidos, sendo ambos polímeros de cadeia essencialmente linear. A Figura 2.3 apresenta a representação da cadeias moleculares e cristalinidade do HMPE e do PE (Coutinho, F. M. B. et al., 2003, p.1-3).

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Figura 2.3 - Representação da orientação e cristalinidade do HMPE e PE

Fonte: adaptação de catálogo CSL, 2010.

Pesquisas recentes deram início à utilização da fibra PE com alta resistência e alto módulo de Young (HMPE) para produzir ECC de alta resistência à tração e alta ductilidade. Dentre essas pesquisas foi verificado propriedades mecânicas de compósitos cimentícios de altíssimo desempenho com uma resistência à tração média de 10 MPa e alongamento médio de 2,8%. Ao contrário da fibra de PVA que é hidrofílica, a fibra PE é hidrofóbica e não necessita de tratamento de superfície para proporcionar uma adequada união na interface matriz / fibra. Comparativamente, a largura da fissura do PE-ECC sob e após a tensão é mais larga do que a do PVA-ECC com a fração de volume de fibra idêntica. Geralmente, a fibra PVA é adequada para produzir ECC de resistência moderada com melhor durabilidade ambiental, enquanto a fibra PE é mais adequada para ECC de alta resistência usada como material estrutural. As propriedades de fibras de PE descritas por diferentes autores estão listadas na Tabela 2.2 (Yu, K. et al., 2018, p.346-362).

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Tabela 2.2 - Propriedades das fibras PVA e PE. Fibra Resistência à tração (MPa) Diâmetro (µm) Comprimento (mm) Módulo de Young (GPa) Alongamento (%) Referência

PVA 1620 39 12 42,8 6-8 Quase todo o

PVA-ECC PE - 10 6,4 88 - Kesner, K.E., et al, (2001, p. 65-72) PE - 38 12,7 73 - Kesner, K.E., et al, (2003, p. 381-390) PE 3000 28 12,7 100 3,1 Ranade, R. et al.,(2013, p. 413-422); Ranade, R. et al.,(2013, p. 375-384) PE 2900-3800 20-28 12-18 100-120 2-3 K.Q. Yu, K. Q., et al.,(2017, p.410-419) PE 2700 12 18 88 - Choi, J. I. et al.,(2016, p.153-158) Fonte: Adaptação de Yu, K. et al., 2018.

A segunda fibra utilizada nesse trabalho é produzida a partir de polietileno tereftalato (PET), esse polímero tem como característica a ligação éster (-CO-O), trata-se, portanto, de um poliéster. É um polímero termoplástico, obtido da reação de um biálcool com um biácido saturado, neste caso o ácido tereftálico e o etileno glicol que resulta na estrutura da Figura 2.4. As ligações existentes entre os carbonos da cadeia são apenas ligações simples. Como polímero pode ser utilizado para produção de peças que exijam do polímero alta resistência mecânica (rigidez), boa tenacidade, elevada resistência a abrasão e excelente estabilidade dimensional e química (Canevarolo, S. V. J., 2006, 277p.).

Figura 2.4 - Estrutura molecular do Polietileno tereftalato

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Dentre outras aplicações, o PET é utilizado como matéria prima para maioria das garrafas plásticas usadas como recipientes de bebidas, e como sabe-se que esses recipientes se tornam resíduos após seu uso, causando problemas ambientais. Esse fato serviu como motivação para diversos autores pesquisarem sobre as implicações do emprego de fibras curtas de PET reciclado com material de reforço em concreto. Desta forma, a maior parte dos trabalhos analisados no que se refere ao emprego de fibras de PET em concreto, utilizaram macrofibras obtidas a partir de matéria prima reciclada. Os autores Fraternali, F. et al., (2011, p. 2368–2374) relataram para uma dosagem de fibra volumétrica a 1% melhorias marcantes na resistência térmica, resistência mecânica e ductilidade dos concretos reforçados com fibras PET reciclado. Citam também estudos comparativos com resultados da literatura que os concretos reforçados com fibras PET reciclado são altamente competitivos em relação ao concreto reforçado com polipropileno em termos de resistência à compressão e tenacidade à fratura. Os pesquisadores Kim et al., (2009, p. 232-240) relatam que as amostras de concreto reforçado com fibras PET recicladas possuem índices de ductilidade relativos de aproximadamente 7 a 10 vezes superiores aos espécimes sem reforço de fibras.

Entretanto, uma questão relevante foi relatada por Yin, S. et al., (2015, p. 180-188), que foi à durabilidade das fibras PET na matriz de cimento Portland. Um dos trabalhos relata que as fibras de PET pertencem ao grupo de poliéster que podem sofrer degradação quando incorporadas na matriz de cimento Portland (Alani, A. M. and Beckett, D., 2013, p.335-344); (Fraternali F, et al., 2014, p. 293-302). Em contrapartida, os autores descrevem diversas fontes contrárias a essa afirmação, tais como: 1) Ochi et al. (2007, p.448-455) e o ACI 544 (2002), que as fibras de PET possuem boa resistência alcalina empregadas em argamassas e concreto. 2) Won et al., (2010, p. 660-665), relataram que o concreto reforçado com fibras PET recicladas são altamente resistentes ao sal, cloreto de cálcio e ao sulfato de sódio e não apresentam diferença significativa na permeabilidade ao cloreto. 3) Ochi et al. (2007, p.448-455) imergiram fibra de PET reciclada em uma solução alcalina, que foi preparada pela dissolução de 10 g de hidróxido de sódio em 1 dm³ de água destilada, por 120 h a 60 °C. Os resultados mostraram que a resistência à tração da fibra PET após a imersão foi de 99% daquela antes

Referências

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